第4章系統(tǒng)設(shè)計(jì)某復(fù)合材料橫擔(dān)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)探究報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u30181某復(fù)合材料橫擔(dān)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)探究報(bào)告 1103361.1復(fù)合材料橫擔(dān)疲勞損傷計(jì)算 1316391.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 2237261.2.1實(shí)驗(yàn)試件 264381.2.2量測(cè)方案 2134911.2.3加載方案 3242221.2.4實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 4237721.3實(shí)驗(yàn)步驟 5228071.4實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析 6324351.4.1應(yīng)力計(jì)算方法 63561.4.2實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析 7復(fù)合材料橫擔(dān)輸電塔由于長(zhǎng)期暴露在野外環(huán)境工作，經(jīng)常受到高頻風(fēng)作用從而引發(fā)復(fù)合材料橫擔(dān)的疲勞損傷，尤其是在風(fēng)力較大的復(fù)雜地形區(qū)域，容易因輸電塔線體系的應(yīng)力造成損傷破壞事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致斷線倒塔等事故發(fā)生[42-44]。為了模擬復(fù)合材料橫擔(dān)在掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況，對(duì)復(fù)合材料橫擔(dān)施加交變載荷探究其根部應(yīng)變，應(yīng)力及疲勞損傷情況可以給復(fù)合材料橫擔(dān)的運(yùn)行維護(hù)及產(chǎn)品改進(jìn)提供參考價(jià)值。1.1復(fù)合材料橫擔(dān)疲勞損傷計(jì)算對(duì)復(fù)合材料橫擔(dān)的疲勞損傷進(jìn)行分析，可以利用復(fù)合材料的S-N曲線結(jié)合Miner線性準(zhǔn)則在域內(nèi)累積計(jì)算損傷值來(lái)評(píng)估復(fù)合材料橫擔(dān)疲勞壽命[45-46]。如下式（4-1）所示：ασ式中：b=σb/B,σb為材料靜強(qiáng)度，B為材料常數(shù)，b近似在10.0左右；α=1/B，σi，N由復(fù)合材料橫擔(dān)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其根部所受應(yīng)力不是單一的常幅疲勞，Goodman曲線由于其形式簡(jiǎn)單，在工程中得到了普遍的應(yīng)用，其公式如（4-2）所示：?S式中，?S'、?S、S由Miner準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)載荷作用下發(fā)生疲勞破壞的總循環(huán)次數(shù)N為公式（4-3）：σb式中，ri為第i級(jí)應(yīng)力σi作用下的工作循環(huán)次數(shù)，各級(jí)應(yīng)力破壞循環(huán)次數(shù)1.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)1.2.1實(shí)驗(yàn)試件本次實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合材料橫擔(dān)作為研究對(duì)象，如圖4-1所示。復(fù)合材料橫擔(dān)試樣為空心結(jié)構(gòu)，外部傘裙為交替?zhèn)闳剐褪?，法蘭與芯棒采用粘膠工藝密封連接，法蘭蓋板與法蘭之間的密封通過(guò)在法蘭的矩形槽內(nèi)放置密封圈實(shí)現(xiàn)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。圖4-1復(fù)合材料橫擔(dān)1.2.2量測(cè)方案通過(guò)第三章的仿真內(nèi)容可以得出，復(fù)合材料橫擔(dān)根部位置所受應(yīng)力最大，是復(fù)合材料橫擔(dān)中最薄弱的部位。我們?yōu)榱烁奖愕昧私庠嚰膽?yīng)力應(yīng)變變化及疲勞特性，同時(shí)應(yīng)考慮到實(shí)驗(yàn)人員的安全，節(jié)省人力物力，我們將應(yīng)變片布置于復(fù)合材料橫擔(dān)根部。實(shí)驗(yàn)采用三相應(yīng)變花，電阻值為120±0.1Ω，靈敏度為2.0±1%，復(fù)合材料橫擔(dān)根部環(huán)向90°布置4處測(cè)點(diǎn)，如圖4-2所示:圖4-2應(yīng)變花布置圖根據(jù)設(shè)計(jì)位置在測(cè)點(diǎn)粘貼應(yīng)變片。首先在選定位置畫(huà)十字線定位，為了確保本實(shí)驗(yàn)所測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)該使用應(yīng)變片緊貼橫擔(dān)纖維纏，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置兩個(gè)應(yīng)變片，首先剝除橫擔(dān)根部的漆包物，對(duì)橫擔(dān)根部進(jìn)行1mm厚度開(kāi)槽，用砂紙打磨開(kāi)槽后的復(fù)合材料橫擔(dān)根部的結(jié)構(gòu)表面，再用脫脂棉蘸丙酮清洗1-2次。將502膠水涂在應(yīng)變片表面，然后將塑料薄膜覆蓋在應(yīng)變片上，繼續(xù)按壓直至應(yīng)變片牢固。用萬(wàn)用表檢測(cè)各應(yīng)變片的電阻和絕緣情況，對(duì)不符合要求的應(yīng)變片重新粘貼，最后將應(yīng)變片通過(guò)導(dǎo)線同動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接起來(lái)。應(yīng)變片及應(yīng)變儀下圖4-3，4-4所示。圖4-3橫擔(dān)根部應(yīng)變片布置圖圖4-4動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀1.2.3加載方案復(fù)合材料橫擔(dān)疲勞性能實(shí)驗(yàn)共分為兩個(gè)階段，第一階段采用分級(jí)頻率加載辦法，以0.5Hz頻率為間隔進(jìn)行加載，每次加載1小時(shí)，加載方案如下表4-1所示。然后再進(jìn)行下一階段的加載實(shí)驗(yàn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀傳感器監(jiān)測(cè)載根部應(yīng)變情況，加載過(guò)程保持平穩(wěn)。第二階段中，根據(jù)第一階段的應(yīng)變數(shù)值計(jì)算應(yīng)力結(jié)合上一章仿真得到的橫擔(dān)根部應(yīng)力數(shù)據(jù)，選擇對(duì)應(yīng)頻率測(cè)得的應(yīng)力幅值，進(jìn)行高周期疲勞加載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證復(fù)合材料橫擔(dān)的可靠性。表4-1加載方案加載頻率1Hz1.5Hz2Hz2.5Hz3Hz3.5Hz時(shí)間/h1111111.2.4實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由連接裝置、固定裝置、加載裝置、量測(cè)裝置構(gòu)成。將復(fù)合材料橫擔(dān)固定在反力架一端的承力板上，兩根復(fù)合材料橫擔(dān)通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，偏心電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)加裝在另一端。復(fù)合材料橫擔(dān)頭部與偏心電機(jī)使用特質(zhì)鋼板通過(guò)螺栓連接，偏心電機(jī)通過(guò)傳送帶帶動(dòng)偏心錘進(jìn)行周期性加載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4-6所示。本實(shí)驗(yàn)采用六安江淮電機(jī)有限公司，型號(hào)為YE2-90L-6，功率為1.1KW，轉(zhuǎn)速990r/min，50Hz頻率電機(jī)，電動(dòng)機(jī)如下圖4-7所示。圖4-6實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置圖圖4-7電動(dòng)機(jī)1.3實(shí)驗(yàn)步驟為保證實(shí)驗(yàn)有序順利進(jìn)行復(fù)合橫擔(dān)動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)，制定如下實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照以下實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行。（1）按照?qǐng)D4-6所示安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，先將轉(zhuǎn)接法蘭盤安裝在反力架上，使用8根8.8級(jí)的M22螺栓進(jìn)行固定，作為復(fù)合橫擔(dān)系統(tǒng)的固定端，然后依次將兩段復(fù)合橫擔(dān)安裝在轉(zhuǎn)接法蘭盤上，使用M12的螺栓進(jìn)行固定，最后將電機(jī)偏心輪系統(tǒng)安裝在復(fù)合橫擔(dān)的另一側(cè)，完成實(shí)驗(yàn)的安裝。（2）連接實(shí)驗(yàn)電路，將三相電機(jī)、三相電源和調(diào)頻器串聯(lián)形成閉合回路，組成實(shí)驗(yàn)所需電路，三相電源用以驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)，調(diào)頻器可以控制電路的開(kāi)合，作為開(kāi)關(guān)，同時(shí)調(diào)頻器可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的工作頻率，為給復(fù)合橫擔(dān)提供不同的頻率的載荷提供條件。（3）將復(fù)合橫擔(dān)根據(jù)的傘裙切割掉一部分，露出復(fù)合材料芯棒，在芯棒上按照實(shí)驗(yàn)制定的量測(cè)方案粘貼應(yīng)變片，將應(yīng)變片連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)，將動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的采樣頻率設(shè)置為50Hz，做好數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備。（4）新建數(shù)據(jù)采集文件，開(kāi)啟應(yīng)變儀進(jìn)行采樣，按照實(shí)驗(yàn)加載方案，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)頻器的調(diào)頻旋鈕，調(diào)節(jié)頻率至實(shí)驗(yàn)方案所需數(shù)值，按照對(duì)復(fù)合橫擔(dān)的循環(huán)次數(shù)的要求計(jì)算實(shí)驗(yàn)時(shí)間，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間控制。（5）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，注意復(fù)合橫擔(dān)振動(dòng)幅度，觀察復(fù)合橫擔(dān)根部是否有裂紋變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)每隔1小時(shí)對(duì)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行一次應(yīng)力計(jì)算，對(duì)復(fù)合橫擔(dān)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（6）按照實(shí)驗(yàn)時(shí)間計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的試驗(yàn)次數(shù)后調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕使電動(dòng)機(jī)的輸出頻率為零，關(guān)閉動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行復(fù)合材料橫擔(dān)試驗(yàn)過(guò)程中，認(rèn)真觀察試驗(yàn)現(xiàn)象并做好試驗(yàn)記錄，以便結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行試件的受力分析。1.4實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析1.1.1應(yīng)力計(jì)算方法如圖4-7所示，單向纖維增強(qiáng)板由纖維排列方向相同的單向復(fù)合材料制成，具有不均勻性和各向異性。但是，在考慮其整體機(jī)械性能時(shí)，包括纖維和基體在內(nèi)的具有適當(dāng)尺寸的體積單位被視為材料的基本組成元素，并且材料中每個(gè)元素的特性都相同，因此單向纖維增強(qiáng)板材料可以認(rèn)為它是宏觀層面的均質(zhì)材料[47-49]。該材料具有兩個(gè)正交的對(duì)稱平面，即LZ平面和TZ平面，稱為正交異性材料。L是纖維方向；t是垂直纖維的方向；Z是厚度方向。圖4-7單向纖維強(qiáng)化板在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合材料基本上都是平板或殼體的形式。與其他方向相比，復(fù)合材料的厚度方向通常很小，尤其是單層板。在討論單向復(fù)合材料的力學(xué)性能時(shí)，可以假定其處于平面應(yīng)力狀態(tài)，如下式（4-4）所示：（4-4）除了宏觀均勻性假設(shè)和平面應(yīng)力狀態(tài)假設(shè)外，還考慮到單層板的變形較小，符合線彈性定律，因此沿材料主軸的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下（4-5）所示：（4-5）各柔度系數(shù)與工程彈性常數(shù)之間的關(guān)系如下式（4-6）所示：（4-6）式中，E1——沿1軸方向彈性模量；E2——沿2軸方向彈性模量；G12——1-2面內(nèi)的剪切模量；μ12——主泊松比；μ12——次泊松比。對(duì)式(4-3)求逆，得到下面的由應(yīng)變求應(yīng)力的公式（4-7）:（4-7）其中二維剛度矩陣系數(shù)Qij可由式（4-4）中的柔度矩陣求逆得到，即（4-8）所示：（4-8）1.1.2實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析在實(shí)驗(yàn)第一階段1Hz-3.5Hz頻率加載過(guò)程中，偏心電機(jī)逐漸加速，復(fù)合材料橫擔(dān)伴隨著偏心電機(jī)循環(huán)載荷的加載逐漸開(kāi)始振動(dòng)，起初橫擔(dān)受偏心電機(jī)的影響振動(dòng)較為劇烈，之后橫擔(dān)振動(dòng)趨于穩(wěn)定，橫擔(dān)頭部振幅較大，根部振幅較小，實(shí)驗(yàn)試件測(cè)點(diǎn)呈正弦曲線變化，均未出現(xiàn)明顯破壞情況。以3.5Hz根部應(yīng)變數(shù)據(jù)為例，如下圖4-8所示：圖4-83.5Hz復(fù)合材料橫擔(dān)根部應(yīng)變時(shí)程曲線將1Hz-3.5Hz各階根部應(yīng)變測(cè)量結(jié)果帶入式（4-7）中，得到各頻率代表性應(yīng)力時(shí)程曲線，根部應(yīng)力如下圖4-9，4-10所示：圖4-91Hz-2Hz復(fù)合材料橫擔(dān)根部應(yīng)力曲線圖4-102.5Hz-3.5Hz復(fù)合材料橫擔(dān)根部應(yīng)力曲線在第二階段實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)上述公式（4-1），（4-2），（4-3）可以得到在偏心電機(jī)3.5Hz頻率加載下，通過(guò)修正的等效應(yīng)力幅值為2.58Mpa，計(jì)算得到的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)為8124562801次，即73.6年。通過(guò)高周期疲勞加載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，復(fù)合材料橫擔(dān)伴隨著偏心電機(jī)循環(huán)載荷的加載逐漸開(kāi)始振動(dòng)，根部應(yīng)力始終呈正弦曲線變化，中間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突變點(diǎn)，非常穩(wěn)定，說(shuō)明復(fù)合橫擔(dān)工作過(guò)程中一直處于健康工作狀態(tài)。加載次數(shù)2116381次之后停止實(shí)驗(yàn)。復(fù)合材料橫擔(dān)試件均為出現(xiàn)明顯的變形